科學也可以如此靠近

你不曾看過的骨骼世界,已經驚動美國NSF!


2018年3月24日17時 今日科學 博科園
博科園

計算機斷層掃描圖像(從左至右):水虎魚(梅氏鋸脂鯉),念珠蜥蜴和北極露脊鯨

● 亞當•蘇梅爾斯將其喜歡掃描動物的業餘愛好發展成了一項工作,他研究發現的工作方法簡單高效,啟發了同行,同時也吸引了一批志同道合的科研人員從事該項研究工作。因其研究工作為解剖學、進化學等領域工作開拓了新視角,其領銜的研究工作獲得美國國家科學基金會(NSF)資助。

亞當•蘇梅爾斯(Adam Summers)喜歡給死魚進行計算機斷層掃描,也就是常說的CT,他甚至已經把這個特殊的愛好發展到了學術痴迷的程度,因此獲得了「魚人」的綽號。

他是個生物力學家,實驗室在美國華盛頓聖胡安島上的星期五港口。他說,「剛開始那會,我都會用士力架來換CT掃描的機會。」20年來,他一直掃描保存在液體中的魚類標本,得到精細的3D圖像,研究錯綜複雜的動物內部結構。每當他在網上發布這些精美的骨架圖時,粉絲們就會急切地追問下一次會掃描什麼魚。蘇梅爾斯總是半開玩笑地回應:「別著急,一個一個來,我會把所有的魚類都掃描了。」

去年,美國佛羅里達州自然博物館的爬蟲學家大衛•布萊克本(David

Blackburn)在「推特」上看到了蘇梅爾斯發起的話題——掃描所有魚,突發奇想,他說:「我將掃描所有青蛙。」布萊克本剛與博物館館長交流完其想法後,就給蘇梅爾斯打了電話。他們決定尋找資金,增加投入,來實現「掃描一切」的目標。現在他們已經獲得美國國家科學基金會250萬美元的資助,2017年9月1日已經開始該項目——3D圖像中脊椎動物多樣性的開放性研究(簡稱oVert)。在接下來的4年中,布萊克本負責的工作是:用CT掃描2萬多個來自全美國16個博物館和大學的脊椎動物標本,覆蓋已知種屬的80%。oVert將從其中選擇約1

000個樣本(代表了大部分脊椎動物家族)用碘染料浸泡,從而加深軟組織中的對比度,以便科學家們看到肌肉、循環系統、腦組織等。

項目得到的3D透視圖將被上傳到由杜克大學的進化人類學家道格•博耶爾(Doug Boyer)創辦的MorphoSource的數字文獻庫里,這些數據將對幾個研究領域的學者免費開放,包括比較解剖學、進化學、發育生物學和仿生學。布萊克本表示,「目標是讓標本離開陳列架,更多地進入研究人員的手中,用到大規模的研究課題中。」

「很快,研究人員就能輕鬆獲得所有脊椎動物的多樣性結果,該項目將立即產生效用。」美國布朗大學的脊椎動物形態學者貝思•布雷納德(Beth Brainerd)表示。

蘇梅爾斯的業餘愛好變成正式工作是從2015年他的實驗室終於擁有CT掃描儀開始的。他偶然發現了一種提高掃描效率的簡單方法:用酒精浸透的粗棉布把魚獨立包裝,能防止乾燥,裹疊成他所謂的「魚卷餅」,這樣能夠一次掃描多個標本。迄今為止,他已經完成了2 400個不同種類、涉及4 500多個標本。

很多其他研究人員從蘇梅爾斯實驗室的魚類CT掃描結果中獲益匪淺。美國塔夫茨大學的卡珊德拉•多納泰利(Cassandra Donatelli)想設計一種用於水下勘探的節能機器人,她使用3D模型模擬細長魚類的關節和運動。德國波恩大學神經解剖學家麥可•霍夫曼(Michael

Hofmann)正在開展對魚類內耳的比較研究,希望弄清它們的聽覺和定位。2017年4月,oVert項目的參與者之一,德州農工大學的魚類館長凱文•康威(Kevin Conway)展示了一種新的喉盤魚,在掃描照片中,那種魚的嘴裡長著約2 000顆微小的牙齒,就像牙刷上的刷毛。

蘇梅爾斯實驗室的博士後研究人員馬修•科爾曼(Matthew Kolmann)說,「讓我吃驚的是,幾乎每掃描一個種類,我們都會有新的發現。」水虎魚的CT掃描結果顯示,這種魚會相互在對方骨頭上留下細細的咬痕。布萊克本稱這種發現是「博物學新應用」,偶然發現卻揭示了動物的生活方式。

在研究一些只有一兩件標本的罕見生物體的解剖學特點時,掃描是一種尤其有效的工具,布萊克本補充說,「因為沒有人會想到真的解剖這些生物體標本。」(掃描結果還能揭示出一些生物的飲食情況,布萊克本發現青蛙的胃裡有螞蟻、螃蟹甚至還有其他的青蛙。)

在oVert項目中,6所已經擁有掃描儀的大學將掃描機構擁有的標本以及來自另外10個機構的標本。4位研究人員負責尋找適當的鳥類和哺乳動物標本,不過這是很有挑戰性的工作,因為這些動物大都被乾燥後製成了陳列標本。oVert旨在找到內臟完整的液體保存標本,這種標本僅在爬行動物、兩棲動物和魚類中比較常見。

康威將負責掃描體型巨大的標本,預計是500個,長度可達2米,體重可達250千克。另外,超大的物種將會使用幼體或胎兒標本。從前,他的團隊掃描過雀鱔、鰻魚、北極露脊鯨胎兒,甚至一條2.5米長的大眼沙龜鯊。

這些標本多由博物館收藏,雖然年代久遠,外表可能殘破,但是內部構造應該還是保存完好的。同時再用碘染料加深標本內部的對比度。項目的神經解剖學顧問、北卡羅來納州大學的卡拉•郁帕克(Kara Yopak)預言,除了其他用途之外,oVert將開啟稀有物種腦部進化研究。

促進教育和擴大研究是oVert的主要目標。佛羅里達自然博物館的脊椎動物古生物學館長布魯斯•麥克法登(Bruce McFadden)喜歡在K-12教育中使用3D模型。以前,他與科學和藝術領域的教師們合作,根據牙齒CT掃描結果,幫助一群中學生重建與原物一般大小的史前鯊魚下顎。

科學家將能夠探索數千種物種的脊椎形狀和解剖學,博耶爾很興奮,他說:「先將以往我們認為正確的解剖學上的進化知識都放到一邊,這次研究的範圍與以往有很大的不同,我們必須用全新的眼光看待。」

<資料來源:Science>

張文韜/編譯

來自:世界科學(World-Science)


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